CN108351409B - 船速仪以及船速取得方法 - Google Patents

Abstract

提供能够高精度地计测按水深的对水船速直至对水船速足够饱和的深度为止的船速仪。根据代表性的实施方式，在船舶漂浮的流体中对至规定的计测范围为止的不同的多个水深处的流速进行计测，针对所述流速的按水深的分布，拟合预先保持的按水深的对水船速的理论曲线，基于所拟合的所述理论曲线，计算比所述计测范围深的区域中的任意的水深处的对水船速。

Description

船速仪以及船速取得方法

技术领域

本发明涉及计测船舶的对水速度的技术，特别是涉及适用于计测多个深度处的船速的船速仪以及船速取得方法的有效的技术。

背景技术

作为在声学式(多普勒式)船速仪或电磁式船速仪中计测船舶的对水速度(船速)时提高其精度的技术，例如，在日本特开2013－167560号公报(专利文献1)中记载了一种船速仪，具有朝向海底发射声波的波发射部；检测从波发射部发射的声波的反射波的波接收部，该反射波是由位于不同水深的多个反射物反射的多个反射波；以及基于声波与反射波的频率差计算船舶的对水速度的运算处理部。这里，运算处理部基于声波与多个反射波各自的频率差求出不同的多个水深处的流速，由此求出水深方向上的流速的变化率，计算该变化率为规定的阈值以下的水深处的流速作为船舶的对水速度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2013－167560号公报

发明内容

发明所要解决的课题

根据专利文献1所记载的现有技术，通过求出船底下方的多个点处的流速从而把握现实的边界层的厚度，基于比边界层深的区域中的流速求出对水船速，从而即使在边界层的厚度由于各种因素而变化的情况下，也能够总是获得准确的对水船速。另一方面，通过模拟技术的进步等已得知，船体周围的流场除了边界层的影响以外还有产生速度梯度的原因，其对于实际的船影响至非常深的深度，虽然也受船体的大小形状等影响，但并非数十厘米或数米这样的量级，而是有时直到100米左右的深度，对水船速还不足够饱和(达到真实值)。

与此相对，例如，对于一般的声学式船速仪，能够维持足够的精度地计测至水深50米左右，在比其深的区域中，SN比降低而无法得到足够的精度。因此，在对水船速足够饱和的100米左右的深度则无法计测对水船速。即使是能够计测至水深150米左右的多层潮流仪或超声波式多层流向流速计(ADCP：Acoustic Doppler Current Profiler：声学多普勒流速剖面仪)等，在100米左右的深度也难以得到足够的精度。

因此本发明的目的在于，提供高精度地获得按水深的对水船速直到对水船速足够饱和的深度的船速仪以及船速取得方法。

本发明的上述目的及其他目的与新的特征能够根据本说明书的记载以及附图而明确。

用于解决课题的手段

若简单地说明本申请中公开的发明中的代表性的方案的概要，则如以下所述。

本发明的代表性的实施方式的船速仪计测船舶的对水船速，在船舶漂浮的流体中，对至规定的计测范围为止的不同的多个水深处的流速进行计测，对所述流速的按水深的分布拟合预先保持的按水深的对水船速的理论曲线，基于所拟合的所述理论曲线计算比所述计测范围深的区域中的任意的水深处的对水船速。

发明效果

若简单地说明由在本申请中公开的发明中的代表性的方案所得的效果，则如以下所述。

即，根据本发明的代表性的实施方式，能够高精度地获得按水深的对水船速直至对水船速足够饱和的深度为止。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式1的船速仪的构成例的概要的图。

图2为表示本发明的实施方式1中的船速取得处理的流程例的概要的流程图。

图3为表示本发明的实施方式1中的估计按水深船速理论曲线的方法例的概要的图。

图4为表示本发明的实施方式1中的估计按水深船速理论曲线的其他方法例的概要的图。

图5为表示本发明的实施方式2中的基于实测数据的对水船速分布与按水深船速理论曲线的偏离的例子的概要的图。

图6为表示本发明的实施方式2中的潮流估计处理的流程例的概要的流程图。

具体实施方式

以下，基于附图详细说明本发明的实施方式。此外，在用于说明实施方式的全部图中，对于相同部分在原则上赋予相同的附图标记，省略其反复的说明。另一方面，对于在某一图中赋予附图标记并说明过的部位，有时在其他图的说明时没有再次图示但赋予相同的附图标记来提及。

(实施方式1)

图1为表示本发明的实施方式1的船速仪的构成例的概要的图。如上所述，本实施方式的船速仪鉴于如上所述一般的声学式船速仪或多层潮流仪、ADCP等在对水船速足够饱和的水深100米左右不能以足够的精度计测对水船速这一课题，例如，利用与专利文献1所记载的技术相同的技术计测船底下方的多个深度处的流速(对水船速)直至能够进行计测的规定的深度，基于得到的按水深的流速的分布，估计更深的区域即比边界层深且流速足够饱和的区域中的对水船速。

在本实施方式中，以声学式(多普勒式)船速仪为例进行记载，但理论上也能够将相同的方法适用于其他方式的船速仪或潮流仪等。此外，正确来讲，“水深”表示距海面等的船体1所漂浮的水面或流体表面的深度，但在以下的说明中，有时为了方便将距船体1的底面的深度记作“水深”。

本实施方式的船速仪，例如由设置在船体1的传感器2以及船速仪处理部3构成。传感器2例如由换能器等构成，该换能器设置在船体1的船底部或其附近，朝向海底方向以规定的频率发送脉冲状的声波，接收其反射波，并且输出从发送至接收的时间差以及接收到的反射波的频率等的信息。

此外，在图1的例中示出了如下构成：设置一个传感器2，对规定的海底方向发送声波，基于测定出的该方向的流速成分获得船体1的船首至船尾方向的流速(对水船速)，但不限于这样的构成。例如，也可以设为计算船首至船尾方向以外的其他任意的方向的流速的构成。另外，也可以构成为，采用具有分别向不同的方向(以下有时记载为“测定方向”)发送声波的多个传感器2的构成，获得任意的方向的流速(对水船速)作为各传感器2的测定方向的流速成分(或其合成)。

船速仪处理部3具有控制传感器2的动作、且取得来自传感器2的输出结果来进行船速V的计算等的处理的功能。船速仪处理部3既可以作为由为了实现后述的各功能而设计的集成电路、存储装置、输入输出装置等构成的专用的硬件来安装，也能够作为PC(Personal Computer：个人计算机)等的通用的信息处理装置以及在其上运转的软件来安装。

船速仪处理部3例如具有控制部31、计测部32、船速计算部33、接口部34等的各部，以及测定数据35、理论曲线数据36、设定信息37、船速数据38等的各数据存储。控制部31具有基于预先设定的设定信息37的内容等自动地控制船速仪处理部3的各部的动作、或基于用户经由后述的接口部34发出的指示等手动地控制船速仪处理部3的各部的动作的功能。计测部32具有利用传感器2进行计测、并取得其结果的功能。具体而言，如上述那样，取得从传感器2发送的发送波与接收到的反射波的时间差以及反射波的频率的数据。所取得的数据例如作为测定数据35以时间序列记录。

船速计算部33具有根据测定数据35的内容，基于设定信息37的内容等，利用后述的方法计算实际的船速V、即流速足够饱和的深度处的流速(对水船速)，并将计算结果记录为船速数据38的功能。接口部34具有提供对于船速仪处理部3进行输入输出的接口的功能。例如，将由船速计算部33计算出的船速数据38的内容显示在未图示的显示器等来输出。另外，针对船速数据38、测定数据35等的累积数据、后述的理论曲线数据36等经由未图示的外部记录介质或网络进行输入输出。另外，经由未图示的由按钮或旋钮等构成的操作面板、遥控器、触摸面板等接收来自用户的操作指示或数据的输入。

如上所述，专利文献1所记载的现有技术具有求出船底下方的多个深度处的流速的多层型的结构，基于按水深的各层的流速分布把握实际的边界层的厚度，根据比边界层深的区域中的流速求出对水船速。另一方面，由于模拟技术的进步得知，例如对于全长超过200米或300米的巨大的船体1，有时对水船速在至100米左右的深度仍不足够饱和。在这种情况下，在专利文献1记载的现有技术中，根据声学式船速仪的性能，在比水深50米左右更深的区域中有时无法获得足够的计测精度，有可能出现不能获得准确的船速的情况。

因此，在本实施方式中，与专利文献1记载的现有技术同样地，具有求出船底下方的多个深度处的流速的多层型的结构，且将使用基于由传感器2以及计测部32计测出的实测数据而计算出的对水船速来作为按水深的各层的对水船速的深度，限制于能够以足够的精度计测的规定的范围(在图1中为“计测范围4”)。计测范围4的深度根据传感器2的性能等而可能不同，例如为50米左右以内。并且，如后述那样，对于比计测范围4深的区域，拟合针对计测范围4中的对水船速的分布而预先估计出的理论曲线(在图1中为“按水深船速理论曲线5”的虚线)，并对其进行外插。

由此，例如，至计测范围4的深度为止使用基于实测数据计算出的对水船速，并且对于比其深的区域，能够基于按水深船速理论曲线5而非实测数据，来计算按水深的各层的对水船速，即使对于流速足够饱和的水深100米左右的区域中的实际的船速，也能够高精度地进行估计。

图2为表示本实施方式中的船速取得处理的流程例的概要的流程图。首先，作为事先准备，预先估计对于设置船速仪的船体1能够适用的按水深船速理论曲线5(S01)。该处理需要至少在开始运用本实施方式的船速仪之前进行，但之后可以随时或定期地进行该处理来更新按水深船速理论曲线5。计算按水深船速理论曲线5的方法不特别限定，例如，能够采用基于实际的船中的实测数据进行估计的方法、或通过由计算机系统进行的模拟来估计的方法等。

图3为表示估计按水深船速理论曲线5的方法例的概要的图。图3的(a)示出根据实际的船的实测数据进行估计的例子。例如，在设置有本实施方式的船速仪的实际的船中，在能够视作潮流等对计测的干扰少的情况下，判断为是适于估计按水深船速理论曲线5的条件，如图示那样能够通过指数曲线等对计测出的测定数据35(图中为“计测数据”)进行近似，获得按水深船速理论曲线5(图中为“估计理论曲线”)。

另外，在难以获得实测数据的情况下，也能够利用计算流体力学(CFD：Computational Fluid Dynamics)解析等的模拟来估计按水深船速理论曲线5。例如，通过基于CFD的模拟求出船体1的周围的水流，从中取出以本实施方式计测的按水深的对水船速。图3的(b)示出了利用CFD模拟按水深的对水船速时的例子。对于此处获得的按水深的对水船速，与图3的(a)同样地能够利用指数曲线等进行近似，从而获得按水深船速理论曲线5。此外，关于按水深船速理论曲线5，也可以按照船体1的形状、航行条件、吃水的深度等的模式或环境参数事先计算多个模式。

另外，也可以根据传感器2相对于实际的船体1的设置形态，考虑一个或多个传感器2发送声波的方向等，与图3的(b)所示的例子同样地利用模拟，求出各测定方向中的对水船速的成分、或由各测定方向的成分合成的三维的对水船速等。另外，在按水深船速理论曲线5的估计时，也可以对于利用规定的算法等计算出的理论曲线，进一步基于经验规则的考虑添加手动进行的修正。

另外，包括基于CFD等的模拟在内的按水深船速理论曲线5的计算处理，无需由船速仪处理部3进行，能够利用其他的系统或软件等进行计算。此时，计算出的按水深船速理论曲线5的数据经由接口部34获取到船速仪处理部3中并作为理论曲线数据36预先记录。

返回图2，在步骤S01中在估计按水深船速理论曲线5并预先记录于理论曲线数据36的状态下，取得实际的船的航行中的船速。首先，进行计测范围4中的按水深的各层的对水船速的计测以及计算(S02)。例如，将计测的深度设为d₁、d₂、…、d_n这n层，对于各层分别计算对水船速V_s1、V_s2、…、V_sn。关于对水船速的计算，如上所述，在船速仪处理部3的计测部32中取得从传感器2发送的发送波与接收到的反射波的时间差以及反射波的频率的数据，记录为测定数据35，进而在船速计算部33中基于测定数据35并利用与专利文献1记载的技术相同的方法计算按水深的对水船速。此时，为了降低船体运动等所致的干扰的影响，对于测定数据35，优选使用例如10秒～数十秒左右期间的移动平均。

之后，在船速计算部33中，对于计算出的计测范围4中的按水深的对水船速的分布，拟合在理论曲线数据36中记录的按水深船速理论曲线5(S03)。拟合(fitting)方法不特别限定，能够适当利用任意的方法或算法。例如，能够在记录于理论曲线数据36中的多个模式或环境参数各自的按水深船速理论曲线5中，选择与计测范围4中的实际的对水船速分布最接近的曲线。也可以针对所选择的曲线进一步根据计测范围4中的实际的对水船速分布的值加以修正。

之后，判定在步骤S02中实际测定出的对水船速分布与在步骤S03中与其拟合的按水深船速理论曲线5在计测范围4中的偏离是否超过规定的程度(S04)。偏离的程度的判断方法不特别限定，例如，能够通过在各层中实际测定出的对水船速与理论值的差量的累积是否超过规定的阈值来判断，或通过各层中的差量的不均匀的程度来判断。也可以在水深较浅的区域与较深的区域改变评价差量时的加权。也可以基于规定的期间内的偏离的趋势而非单次的测定来判断。

在步骤S04中，在判定为偏离为规定的程度以上时，利用与步骤S01相同的方法再次进行按水深船速理论曲线5的估计(S05)。这里在估计时，通过也将在步骤S02或其他机会实际测定出的多个对水船速分布的数据考虑在内，能够提高按水深船速理论曲线5的精度。

图4为表示估计按水深船速理论曲线5的方法的其他例的概要的图。这里示出了，对于通过实际的航行得到的过去的多个测定数据35(图中为“计测数据_1”～“计测数据_5”)，按水深求出其平均值等的统计信息(图中为“计测数据_平均”)，并利用指数曲线等对其近似来获得按水深船速理论曲线5(图中为“理论曲线(计测数据_平均)”)。由此，能够获得更高精度的按水深船速理论曲线5。通过这样的处理，基于更新后的按水深船速理论曲线5，反复进行步骤S03以下的处理。

在步骤S04中，在判定为偏离小于规定的程度时，基于在步骤S03中拟合的按水深船速理论曲线5，计算在比计测范围4深的区域中的任意的深度的对水船速(S06)。对水船速的计算既可以按预先确定的多个水深的各层进行，也可以对作为流速足够饱和的深度而预先在设定信息37等中确定的深度进行，并将得到的流速作为实际的对水船速输出。也可以对于经由接口部34由用户指定的任意的深度单独地计算对水船速。

利用预先在设定信息37等中确定的方法或由用户指定的方法、其他规定的方法，经由接口部34输出在步骤S02以及S06中在计测范围4以及比其深的区域中计算出的按水深的各层的对水船速的值。

之后，基于经由接口部34来自用户的指示、由规定的条件(例如，船的停止等)引起的来自控制部31的指示等，判定是否请求了结束船速的取得处理(S07)，在未请求结束的情况下反复进行步骤S02以下的处理来继续船速的取得处理。在请求了结束的情况下结束船速的取得处理。

如以上说明那样，根据本发明的实施方式1的船速仪，将使用基于由传感器2等计测的实测数据而计算出的对水船速来作为按水深的各层的对水船速的深度，限制于计测范围4，并且对于比计测范围4深的区域，对计测范围4中的实际的对水船速分布拟合预先估计的按水深船速理论曲线5并对其进行外插。由此，即使在比计测范围4深的区域中，也能够基于按水深船速理论曲线5高精度地估计按水深的各层的对水船速。

(实施方式2)

在上述的实施方式1中，对基于由传感器2等计测的实测数据计算出的对水船速的分布，拟合按水深船速理论曲线5，但此时若基于实测数据的对水船速的分布与按水深船速理论曲线5的偏离的程度较大，则假设为按水深船速理论曲线5不是最佳的曲线，如图2的步骤S05所示，再次估计按水深船速理论曲线5。

另一方面，在船体1的周围有潮流导致的干扰的情况下，也可能在基于实测数据的对水船速与按水深船速理论曲线5之间产生偏离。图5为表示基于实测数据的对水船速分布与按水深船速理论曲线5的偏离的例子的概要的图。示出了利用与实施方式1相同的方法得到的按水深船速理论曲线5在与基于实测数据的对水船速的分布之间存在差量。本发明的实施方式2的船速仪，将该差量作为由船体1的周围的潮流所致，来估计按水深的潮流分布。

图6为表示本实施方式中的潮流估计处理的流程例的概要的流程图。事先准备的按水深船速理论曲线5的估计处理(S11)、实际的船的航行中的船速的计测处理(S12)、以及按水深船速理论曲线5的拟合处理(S13)与实施方式1的图2所示的流程图中的步骤S01～步骤S03相同，故省略再次的说明。

之后，按水深计算在步骤S12中实际测定的对水船速的分布与步骤S13中对其拟合的按水深船速理论曲线5在计测范围4中的差量，将得到的差量作为按水深的潮流分布(S14)。之后，基于用户经由接口部34发出的指示、由规定的条件引起的来自控制部31的指示等，判定是否请求了结束船速的取得处理(S15)，在未请求结束的情况下反复进行步骤S12以下的处理。在请求了结束的情况下，结束潮流分布的估计处理。

此外，也可以设为例如基于过去的规定的期间内的偏离的趋势，判断基于实测数据的对水船速与按水深船速理论曲线5之间的偏离是由潮流所致、还是由按水深船速理论曲线5不是最佳的曲线所致，并切换实施方式1的图2所示的处理与本实施方式的处理。如本实施方式那样，在将计测范围4中实际测定出的对水船速的分布用于估计潮流分布的情况下，计测范围4中的实际对水船速与实施方式1不同，不是基于实测数据而是能够基于按水深船速理论曲线5进行估计。

如以上说明那样，根据本发明的实施方式2的船速仪，能够通过计算在计测范围4中实际测定出的对水船速的分布与对其拟合的按水深船速理论曲线5的按水深的差量，估计船体1的周围的按水深的潮流分布。

以上，基于实施方式具体地说明了由本发明人做出的发明，但本发明不限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内自然能够进行各种变更。例如，上述的实施方式是为了容易理解本发明地说明而详细地进行了说明，并非一定限定为具备说明的全部的构成。另外，某实施方式的构成的一部分能够置换为其他实施方式的构成，另外，也能够在某实施方式的构成中添加其他实施方式的构成。另外，对于各实施方式的构成的一部分，能够追加、删除、置换其他构成。

工业实用性

本发明能够用于计测多个深度处的船速的船速仪以及船速取得方法。

附图标记说明：

1…船体，2…传感器，3…船速仪处理部，4…计测范围，5…按水深船速理论曲线，31…控制部，32…计测部，33…船速计算部，34…接口部，35…测定数据，36…理论曲线数据，37…设定信息，38…船速数据。

Claims (10)

1.一种船速仪，计测船舶的对水船速，在船舶漂浮的流体中，对至规定的计测范围为止的不同的多个水深处的流速进行计测，针对所述流速的按水深的分布，拟合预先保持的按水深的对水船速的理论曲线，基于所拟合的所述理论曲线进行外插，由此计算比所述计测范围深的区域中的任意的水深处的对水船速。

2.如权利要求1所述的船速仪，所述理论曲线是基于针对作为对象的船舶实际测定出的所述流速的按水深的分布而计算出的曲线。

3.如权利要求1所述的船速仪，所述理论曲线是基于如下分布而计算出的曲线，该分布是根据利用规定的模拟对作为对象的船舶的周围的流体的流动进行解析的结果而获得的至所述计测范围为止的按不同的多个水深的流速的分布。

4.如权利要求1～3中任一项所述的船速仪，所述理论曲线是基于针对作为对象的船舶由该船速仪实际测定出的多个所述流速的按水深的分布的统计信息而更新后的曲线。

5.如权利要求1所述的船速仪，基于测定出的所述流速的按水深的值与针对所述流速的按水深的分布拟合的所述理论曲线之间的差量，计算所述计测范围中的按水深的潮流的分布。

6.一种船速取得方法，计测船舶的对水船速，具有：第1工序，计算作为对象的船舶的按水深的对水船速的理论曲线；第2工序，针对作为对象的船舶，测定至规定的计测范围为止的不同的多个水深处的流速，取得所述流速的按水深的分布；第3工序，针对所述流速的按水深的分布拟合所述理论曲线；以及第4工序，基于所拟合的所述理论曲线进行外插，由此计算比所述计测范围深的区域中的任意的水深处的对水船速。

7.如权利要求6所述的船速取得方法，在所述第1工序中，基于针对作为对象的船舶实际测定出的所述流速的按水深的分布计算所述理论曲线。

8.如权利要求6所述的船速取得方法，在所述第1工序中，基于根据利用规定的模拟对作为对象的船舶的周围的流体的流动进行解析的结果而获得的至所述计测范围为止的按不同的多个水深的流速的分布，计算所述理论曲线。

9.如权利要求6～8中任一项所述的船速取得方法，还具有：第5工序，基于针对作为对象的船舶由该船速取得方法实际测定出的多个所述流速的按水深的分布的统计信息，更新所述理论曲线。

10.如权利要求6所述的船速取得方法，还具有：基于在所述第2工序中取得的所述流速的按水深的值与在所述第3工序中对所述流速的按水深的分布拟合的所述理论曲线之间的差量，计算所述计测范围中的按水深的潮流的分布的工序。

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